DE10049394A1

DE10049394A1 - Verfahren zur Übertragung von Lichtimpulsen und Lichtwellen

Info

Publication number: DE10049394A1
Application number: DE10049394A
Authority: DE
Inventors: Christoph Glingener; Erich Gottwald; Werner Paetsch; Walter Proebster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2001-05-31
Also published as: GB2359684A; US6516113B1; GB0024944D0

Abstract

Durch nichtlineare Effekte wie Selbstphasenmodulation oder Kreuzphasenmodulation wird die stimulierte Brillouin-Rücksteuerung reduziert. Auch durch Einspeisen mindestens eines amplitudenmodulierten Pumpsignals (PPS1-PPSn) wird aufgrund der Kreuzphasenmodulation eine Bandbreitenvergrößerung und hierdurch eine Reduzierung der stimulierten Brillouin-Rücksteuerung erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Stimu lierten Brillouin Rückstreuung, SBS, bei der Übertragung von. Lichtimpulsen oder Lichtwellen über eine optische Faser.

Wenn bei der Übertragung von optischen Signalen innerhalb ei ner bestimmten Bandbreite, der Brillouin-Bandbreite, die Leistung des in ein Faser eingespeisten Signals einen be stimmten als kritische Leistung oder SBS-Schwelle bezeichne ten Wert übersteigt, wird eine optische Rückstreuung verur sacht, die dazu führt, daß die übertragene Leistung nur noch unterproportional ansteigt.

G. Smith hat diese Gesetzmäßigkeiten in Applied Optics, No vember 1972, Vol. 11, No. 11, pages 2489-2494 beschrieben.

R. H. Stolen hat in Optical Fiber Telekommunications, Akademic Press, 1979, Seiten 133, 134 den Zusammenhang zwischen Leis tung und Brillouin-Rückstrahlung für schmale und große Band breite beschrieben.

Yamamoto hat in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE- 17, No. 6, June 1981 auf Seite 927, eine Gleichung angegeben, bei der die Bandbreite der Signalquelle durch die Bandbreite des modulierten Signales ersetzt wurde. Er weist in der fol genden Seite darauf hin, daß die kritische Leistung für die Brillouin-Rückstreuung vom Signalspektrum abhängig ist und mit zunehmender Datenrate, die bekanntlich zu einem breiteren Spektrum führt, sich erhöht. Bei der angegebenen Schätzung muß natürlich, wie auch bei Stolen, die von Smith angegebene Bedingung, daß nur die Leistung innerhalb der Brillouin- Bandbreite für die verschiedenen Modulationsarten berücksichtigt wird, berücksichtigt werden oder eine entsprechende ef fektive Bandbreite ermittelt werden.

Cotter, US-Patent 4,560,246, verwendet Winkelmodulation, die in bekannter Weise die Bandbreite erhöht, um die Brillouin- Rückstreuung zu reduzieren.

Außerdem ist aus Physical Review A., Vol. 2, No. 1, July 1970, Seiten 60-67 bekannt, daß Chirpen von Impulsen die Bandbreite erhöht, wodurch entsprechend Stolen und Yamamoto die Brillouin-Rückstreuung reduziert wird. Dieses Chirpen tritt als häufig unerwünschter Effekt bei der direkten Inten sitätsmodulation eines Lasers auf.

All diese Effekte und Maßnahmen führen dazu, daß stets die Bandbreite einer in eine optische Faser eingespeisten Licht welle oder eines eingespeisten Lichtimpulses erhöht wird, was andere störende Effekte zur Folge hat.

Auch die Selbstphasenmodulation, die zu Beginn eines Impulses zur Erhöhung und dann zur Erniedrigung der Frequenz führt, bewirkt eine Verbreiterung des Spektrums, und, sobald die Brillouin-Bandbreite überschritten ist, eine Reduzierung der Brillouin-Rückstreuung. Durch optische Halbleiterverstärker, Wellenlängenkonverter und andere nichtlineare Bauelemente kann eine erhebliche Selbstphasenmodulation erzeugt werden, die zu einer erheblichen SBS-Reduzierung führt.

Horiuchi, Yamamoto und Akiba haben in ELECTRONICS LETTERS, 19^th February 1998, Seiten 390 und 391 die Auswirkung der Kreuzphasenmodulation auf die Spektren von WDM-Kanälen (WDM- Wellenlängenmultiplex) untersucht. Bei diesem Effekt beein flussen sich die verschiedenen Übertragungskanäle derart, daß es ebenfalls zu einer Verbreiterung des Spektrums kommt. Erst bei höheren Leistungen kommt es zu aber einer relevanten SBS- Unterdrückung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reduzierung der SBS anzugeben, bei dem eine zusätzliche Vergrößerung der Bandbreite des eingespeisten optischen Signals nicht erfor derlich ist.

Dieser Aufgabe wird durch die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 erzielt.

Einmal wird die Selbstphasenmodulation ausgenutzt, die zu Be ginn eines Impulses zur Erhöhung und dann zur Erniedrigung der Frequenz führt. Dies bedeutet eine Verbreiterung des Spektrums, die, sobald die Brillouin-Bandbreite überschritten ist, zu einer Reduzierung der Brillouin-Rückstreuung führt. Maßgebend für diesen Vorgang ist der Kerr-Effekt, der in der einschlägigen Literatur beschrieben ist.

Eine andere Möglichkeit ist die Ausnutzung der Kreuzphasenmo dulation zwischen verschiedenen Lichtwellen bei Wellenlängen multiplexsystemen. Bei diesem Effekt beeinflussen sich die verschiedenen Übertragungskanäle derart, daß es ebenfalls zu einer Verbreiterung des Spektrums kommt. Durch Optimierung dieser gegenseitigen Beeinflussung, beispielsweise durch Wahl geeigneter Frequenzabstände zwischen den Übertragungskanälen, kann dieser Effekt optimiert werden.

Eine andere Lösung wird durch die das Einspeisen mindestens eines amplitudenmodulierten Pumpsignals gemäß Anspruch 9 er zielt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei op tischen WDM-Übertragungssystemen. Die durch die Kreuzphasen modulation bereits bewirkte SBS-Reduzierung kann wesentlich durch mindestens ein amplitudenmoduliertes Pumpsignal verbes sert werden.

Besonders wirkungsvoll ist bei einer "Standard Nonomodefaser" die Einspeisung mindestens eines amplitudenmodulierten Pump signals mit einer Frequenz, die oberhalb der Brillouin- Bandbreite liegt, meist zwischen 20 MHz und 500 MHz. Bei dis persionsarmen Fasern können auch höhere Frequenzen verwendet werden.

Um die Pumpleistung eines jeden Pumplasers gering zu halten, sollten mehrere amplitudenmodulierte Pumpsignale eingespeist werden, die wellenlängenmäßig möglichst gleich verteilt sind und beispielsweise an den Rändern und in den Lücken des Über tragungsbandes liegen. Die Frequenz und die Phase aller amp litudenmodulierten Pumpsignale soll gleich sein, damit sich die Wirkungen summieren. Durch die geringen Pumpleistungen und geschickte Wahl der Wellenlänge werden Signalstörungen durch Stimulierte Raman Streuung weitgehend verhindert. Die gegebenenfalls durch amplitudenmoduliertes Pumpsignale verur sachte Raman Streuung kann gegebenenfalls zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften wie eine Korrektur der Verkip pung genutzt werden.

Als Quelle für das amplitudenmodulierte Pumpsignal kann ein breitbandiger oder direkt modulierter chirpender Laser oder eine inkoherente Lichtquelle verwendet werden.

Ein breitbandiges Pumpsignal kann auch die Nutzkanäle umfas sen wenn hierdurch der erforderliche Rauschabstand nicht un terschritten wird, beispielsweise bei WDM-Systemenmit einer Kanaldatenrate bis 2,5 Gbit/s.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren Näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zum Einspeisen mehrerer ampli tudenmodulierter Pumpsignale,

Fig. 2 das Spektrum eines amplitudenmodulierten Nutz kanals ohne Kreuzphasenmodulation,

Fig. 3 das Spektrum eines amplitudenmodulierten Nutz kanals mit Kreuzphasenmodulation,

Fig. 4 die SBS-Unterdrückung durch ein in die Über tragungsfaser eingespeistes Pumpsignal und

Fig. 5 die SBS-Unterdrückung durch ein in eine dispersionkompensierende Faser eingespeistes Pumpsignal.

In Fig. 1 ist eine optische Übertragungsstrecke mit einem Sendeterminal TT, einer Übertragungsfaser LWF, einem opti schen Verstärker AMP und einem Empfangsterminal TR darge stellt. Das Sendeterminal TT enthält mehrere Laser-Modulator- Einrichtungen LM1-LMn, denen binäre Datensignale DS1-DSm zugeführt werden. Jedes dieser Datensignale moduliert ein Tä gersignal, das eine unterschiedlichen Wellenlänge aufweist. Die so generierten Übertragungssignale WS1 bis WSn werden durch einen Wellenlängenmultiplexer WDM zu einem Wellenlän gen-Multiplexsignal WMS zusammengefaßt und über eine optische Faser LWF einschließlich Streckenverstärker AMP übertragen. Zusätzlich werden noch mehrere amplitudenmodulierte Pumpsig nale PPS1-PPSn (mindestens ein Pumpsignal) in die Übertra gungsfaser LWF eingespeist, die eine zusätzliche Kreuzphasen modulation und damit eine Verringerung der Trägeramplitude bewirken. Die Einspeisung der amplitudenmodulierten Pumpsig nale PPS1-PPSn kann auch in eine der eigentlichen Übertra gungsfaser vorgeschaltete Dispersionskompensationsfaser, DCF, und natürlich auch über einen weiteren Wellenlängenmultiple xer oder eine andere geeignete Koppeleinrichtung erfolgen.

Die Anzahl der Pumpssignalquellen PL1-PLm und die Leistung der amplitudenmodulierten Pumpsignale wird entsprechend den Anforderungen an die SBS-Ünterdrückung gewählt. Wegen der Tiefpaßwirkung einer dispersiven Faser sollte vorzugsweise eine sinusförmige Modulation des Pumpsignals mit einer Fre quenz oberhalb der Brillouin-Bandbreite zwischen 20 und 500 MHz erfolgen. Die amplitudenmodulierten Pumpsignale werden wellenlängenmäßig so verteilt und deren Leistung so einge stellt, daß alle Übertragungssignale einen möglichst gleichen Abstand zur kritischen Brillouin-Leistung haben.

Die Abstände der Übertragungssignale können voneinander so gewählt werden, daß sie durch gegenseitige Kreuzphasenmodula tion die SBS-Unterdrückung wirkungsvoll unterstützen. Durch die Aufteilung der Pumpenergie auf mehrere Quellen wird so wohl SBS als auch Signalstörungen durch Stimulierte Raman Streuung vermieden. Als Pumpsignalquellen werden breitbandige Laser oder inkohärente Lichtquellen wie Lumineszenzdioden o der Superflureszensquellen verwendet, um SBS zu vermeiden.

Die SBS sollte bei allen Übertragungssignalen (WS1-WSn) möglichst um den gleichen Wert reduziert werden, bzw. die Ab stände zur SBS-Schwelle sollen in allen Übertragungskanälen zumindest annähernd gleich sein.

Im allgemeinen kann bereits durch Abstimmung der Leistungen der verschiedenen Pumpquellen eine weitgehende gleichmäßige Verbesserung der SBS-Unterdrückung für alle Nutzkanäle er zielt werden. Gegebenenfalls kann dies durch Variation der Kanalabstände, unterschiedliche Kanalleistungen oder weitere kanalindividuelle Maßnahmen erreicht werden. Unterhalb der SBS-Schwelle kann auch Wert auf gleiche Rauschabstände der Kanäle usw. gelegt werden; die Kanalleistung kann beispiels weise individuell in dem von der SBS vorgegebenen Rahmen ein gestellt werden.

Wenn die Kreuzphasenmodulation allein ausreicht, um die SBS ausreichend zu unterdrücken, können bei Ausfall einzelner Signale oder bei Nichtbelegung einzelner Übertragungskanäle Pumpsignale eingespeist werden.

Fig. 2 zeigt das Frequenzspektrum, die Leistung P in Abhän gigkeit von der Frequenzdifferenz f - f_T (f_T - Trägerfre quenz) eines von acht amplitudenmodulierten Übertragungskanä len mit einer Datenrate von jeweils 1,2 Gb/s ohne zusätzliche Maßnahmen. Die Amplitude des Trägers erreicht einen Wert, der zu einer erheblichen SBS führt.

Fig. 3 zeigt das Frequenzspektrum desselben Kanals, wenn ein amplitudenmoduliertes Pumpsignal mit einer Leistung von 160 mW und einer Modulationsfrequenz von 7,8 MHz zusätzlich eingespeist wird.

Es ist prinzipiell auch möglich nur eine breitbandige ampli tudenmodulierte Pumpsignalquelle zu verwenden, deren Spektrum die Nutzkanäle umfaßt.

In Fig. 4 ist die Vergrößerung der SBS-Schwelle (kritische Leistung) ΔSBS durch die Einspeisung eines Pumpsignals in ei ne Standard-Monomode-Übertragungsfaser in Abhängigkeit vom Modulationsindex m dargestellt. Dieser wird bei sonst kon stanten Verhältnissen von der Leistung des Pumpsignals be stimmt. Die Modulationsfrequenz des Pumpsignals ist an die Brillouin-Bandbreite angepaßt und konstant. Sobald es durch die Kreuzphasenmodulation zu einer über die Brillouin- Bandbreite hinausgehenden Verbreiterung des Spektrums kommt, erfolgt eine Reduktion der SBS bzw. eine Erhöhung der kriti schen Leistung des Nutzsignals.

Fig. 5 zeigt die Änderung der SBS-Schwelle ΔSBS bei Einspei sung des Pumpsignals in eine dispersionskorrigierende Faser, DCF, in Abhängigkeit vom Modulationsindex m. Hierbei wird ei ne bestimmte Welligkeit in Abhängigkeit von der Leistung des Pumpsignals sichtbar. Eine bessere SBS-Unterdrückung kann manchmal bei einer etwas verringerten Leistung erzielt wer den.

Durch die Pumpsignale kann es wegen der Stimulierten Raman Streuung zu einer geringfügigen Beeinträchtigung der Augen öffnung kommen, wodurch die Empfangsqualität etwas einge schränkt wird. Da das oder die Pumpsignale jedoch ebenfalls empfangsseitig vorliegen, können die Störungen durch Subtrak tion vom Empfangssignal oder durch eine Zusatzmodulation der Übertragungssignale eliminiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von intensitätsmodulierten Lichtwellen oder von Lichtimpulsen über eine optische Faser, wobei die Lichtimpulse eine spektrale Leistungsdichtevertei lung aufweisen, die ohne zusätzliche Maßnahmen Brillouin- Rückstreuung verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß in der Faser durch Selbstphasenmodulation eine Verbrei tung des Frequenzspektrums erzeugt wird, die die stimulierte Brillouin-Rückstreuung reduziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung über Fasern erfolgt, die gegenüber her kömmlichen Fasern eine erhöhte Selbstphasenmodulation aufwei sen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Faser Elemente eingefügt sind, die eine erhöhte Selbstphasenmodulation bewirken.

4. Verfahren zur parallelen Übertragung von mehreren intensi tätsmodulierten Lichtwellen oder Lichtimpulsfolgen mit unter schiedlichen Wellenlängen über eine optische Faser, wobei die Lichtwellen oder Lichtimpulse eine spektrale Leistungsdichte verteilung aufweisen, die ohne zusätzliche Maßnahmen stimu lierte Brillouin-Rückstreuung verursacht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtwellen oder Lichtimpulsfolgen einander durch Kreuzphasenmodulation so beeinflussen, daß das Frequenzspekt rum zumindest bei einer Wellenlänge vergrößert wird,
daß die stimulierte Brillouin-Rückstreuung reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Wellenlängen so gewählt werden, daß die Frequenzspektren aller Lichtwellen oder Lichtimpulse redu ziert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulsfolgen durch Amplitudenmodulation erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung der Brillouin- Rückstreuung durch Verbreiterung des Spektrums der eingespei cherten Lichtwelle oder eingespeisten Lichtimpulse erfolgen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellen zusätzlich winkelmoduliert werden.

9. Verfahren zur Unterdrückung der Stimulierten Brillouin Rückstreuung, SBS, bei der Übertragung von einem intensitäts modulierten optischen Übertragungssignal oder von mehreren intensitätsmodulierten optischen Übertragungssignalen (WS1-WSn) mit unterschiedlichen Wellenlängen über eine optische Faser (LWF), wobei die optischen Signale (WS1-WSn) eine spektrale Leistungsdichteverteilung aufweisen, die ohne zu sätzliche Maßnahmen Stimulierte Brillouin Rückstreuung verur sacht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein amplitudenmoduliertes Pumpsignal (PPS1-PPSn) in die optische Faser (LWF) eingespeist wird, das durch Kreuzphasenmodulation die optischen Übertragungssignale (WS1-WSn) so beeinflußt, daß deren Frequenzspektrum derart ver breitert wird, daß die Stimulierte Brillouin Rückstreuung re duziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere amplitudenmodulierte Pumpsignale (PPS1-PPSn) in die Faser eingespeist werden, die wellenlängenmäßig derart angeordnet werden, daß sich bei allen Übertragungssignalen (WS1-WSn) möglichst gleiche Abstände zu den SBS verursa chenden kritischen Leistungen ergeben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der einzelnen amplitudenmodulierten Pumpsig nale (PPS1-PPSn) so variiert wird, daß sich bei allen Über tragungssignalen (WS1-WSn) möglichst gleiche Abstände zu den SBS verursachenden kritischen Leistungen ergeben.

12. Verfahren nach einem der der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpsignale (PPS1-PPSn) mit derselben Modulations frequenz und derselben Modulationsphase amplitudenmoduliert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß breitbandige amplitudenmodulierte Pumpsignale (PPS1-PPSn) eingespeist werden, deren Spektren außerhalb des Über tagungsbandes der Übertragungssignale (WS1-WSn) und/oder zwischen den Übertragungssignalen (WS1-WSn) liegen.

14. Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein winkel- und amplitudenmoduliertes Pumpsig nal (PPS1-PPSn) eingespeist wird, dessen Spektrum die Über tagungssignale (WS1-WSn) umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß inkohärente Pumpsignale (PPS1-PPSn) eingespeist werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wellenlängenmultiplexsystemen bei Ausfall oder Nicht belegung mindestens eines Übertragungssignals (WS1-WSn) mindestens ein Pumpsignal (PPS1-PPSn) eingespeist wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Standard-Monomode-Faser mindestens ein Pumpsignal (PPS1-PPSn) mit einer Modulationsfrequenz, die größer als die Brillouin Bandbreite und kleiner als 600 MHz ist, einge speist wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpsignale (PPS1-PPSn) sinusförmig moduliert wer den.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wellenlängenmäßige Abstände zwischen den Übertagungssig nalen (WS1-WSn) so gewählt werden, daß sie durch gegensei tige Kreuzphasenmodulation die Unterdrückung der Stimulierten Brillouin Rückstreuung durch die amplitudenmodulierten Pump signale (PPS1-PPSn) unterstützen.

20. Verfahren nach einem der der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz und die Leistung sowie gegebenen falls die Frequenzen der Pumpsignale (PPS1-PPSn) so abge stimmt werden, daß sich möglichst gleichmäßige Abstände der Übertragungssignale (WS1-WSn) zu den SBS verursachenden kritischen Leistungen ergeben.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kreuzphasenmodulation durch mindestens ein Pumpsignal (PPS1-PPSn) verursachten Störungen empfangssei tig rückgängig gemacht werden.